鍵盤信息泄漏與防泄漏鍵盤設計與實現

摘要 簡要介紹鍵盤的工作原理，分析鍵盤的信息泄漏問題;提出預防信息泄漏鍵盤的設計;重點介紹我們研制的紅黑分離式防信息泄漏鍵盤的設計與實現。

1 鍵盤工作原理概述

鍵盤是計算機中最通用的設備，也是除顯示器外信息最容易被截獲并被復現的設備。按照紅黑分離式防信息泄漏原理，我們成功地開發了紅黑分離式防信息泄漏鍵盤。

首先分析一下鍵盤的工作原理。現在的鍵盤主芯片只有1個。1個鍵盤由專用芯片、按鍵和接口3部分組成。其中專用芯片提供主機接口、行線、列線及鍵盤分系統控制微程序;按鍵被安排在行列線的交叉點上;主機接口共4根線：電源、地、時鐘、數據。工作原理如下。

① 時鐘和數據線在主機方和鍵盤方的引腳都是OC門，正常時電平為高。主機和鍵盤任何一方都可以把這兩根線上的電平拉低。當兩根線都為高時，鍵盤可以發數據;當時鐘為低時，禁止鍵盤發送數據;當時鐘為高、數據為低時，表示主機要發送命令，鍵盤要準備接收。

② 加電后鍵盤開始自檢，如自檢正常，則向主機發出AAH，并開始掃描按鍵。

③ 判斷出有鍵按下后向主機發這一鍵的掃描碼并開始計時，然后繼續掃描。若0.5 s后，這個鍵仍未抬起，且沒有新鍵按下的話，就要連續發這一鍵的掃描碼：每秒30個。最多支持3個鍵同時按下。在0.5 s內若有新鍵按下的話，就為新鍵計時。

④ 待有鍵抬起時發這一鍵的結束碼。

⑤ 收到主機發來的命令碼后，鍵盤發FAH以應答，并開始執行這一命令。

鍵盤與主機通信的數據規則是：每組數據由11位組成：1位啟始位（邏輯0）、8位數據位（低位在前）、1位校驗位（奇校驗）、1位停止位（邏輯1）。 其數據位的數據格式為：

時鐘是鍵盤分系統發出的方波，周期約為80μs下降沿有效，只在發碼的時候才有時鐘。每個鍵有1個掃描碼。主機還會發一些命令。表1給出了每個鍵的掃描碼。

表1 鍵盤掃描

這是一個開放式的工業標準，PC機的鍵盤都是這樣的。其與主機的通信必須按上述標準執行。這為零配件的生產、維修、使用提供了極大的方便，但同時也使鍵盤按鍵造成信息泄漏成為了可能。

2 鍵盤信息泄漏的分析

為了驗證鍵盤信息泄漏的電磁場的特性，進行如下試驗：當鍵盤連續保持按下“H”鍵時，用頻譜儀測量鍵盤與主機連接的信號線的傳導發射特性，結果如圖1所示。

圖1 鍵盤的傳導發射特性

當按不同的鍵時，頻譜儀接收到的譜線發生頻移。按信息的相關原理證明，所得的譜線與按鍵信息相關，說明其中含有鍵盤的掃描碼信息。該信息為鍵盤編碼，并將其定義為紅信號。

下面具體分析一下鍵盤產生的紅信號走過的路徑。圖2是普通鍵盤的電路圖，是用8051單片機實現的。

圖2 普通鍵盤電路

圖2中鍵陣列部分的引腳（P0、P2和P1的一部分）流過的是高低變換的電平，用以判斷哪個鍵按下了，哪個鍵抬起了。這些信號即使被截獲也是沒有意義的，因此，將它們定義為黑信號。此外復位電平、晶振等也為黑信號。

鍵盤有2根信號線與主機相連，即時鐘線（KBDCLK）和數據線（KBCDATA）。時鐘線提供鍵盤與主機通信時的時鐘信號，由鍵盤發出，下降沿有效。也就是說在每個時鐘的下降沿，主機將鍵盤準備好的數據讀入累加器“ACC”中，讀到有效的“停止位”后送CPU處理。但對于同一種鍵盤來說，時鐘的周期、頻率、電平高低都是一樣的;對于不同鍵盤會略有不同。在同一個鍵盤中，發出的所有數據的時鐘都是相同的。所以這一信號與按鍵信息無關，也是黑信號。鍵盤有不同的鍵，它們被依此選通后，將通過數據線發出相應的鍵碼數據傳送給主機，所以，圖2中只有數據線上走的是紅信號。

下面再分析一下在芯片內部的紅信號的通路情況。圖3為8051的內部框圖。

圖3 8051框圖

圖3中以空心箭頭表示紅信號的路徑。在8051內部，這一部分發出列掃描電平，讀入行掃描電平，鍵按下后ALU通過計算將放在累加器ACC中。ACC再一位一位地送到P3的某個引腳上。在芯片內部，這一紅信號是串行二進制碼數據，其波特率為12.5 Kbps，脈沖寬度為80μs，轉換時間為 1.4μs，奇校驗。具體波形如圖4所示。

圖4 鍵盤發“H”的掃描碼波形

通過上述試驗可知，鍵盤中紅信號的路徑是從微處理器中的累加器開始，經一個數據引腳至主機數據口止的一段電路上。

鍵盤掃描周期諧波的RF輻射有兩種主要的威脅：其一為攻擊鍵盤電纜在其響應頻率諧波的輻射;其次是攻擊被非線性交叉效應調制的返回信號中被檢波的掃描碼。

3 紅黑分離式防信息泄漏鍵盤

3.1 設計

為了預防鍵盤泄密，我們研制了紅黑分離式防信息泄漏鍵盤。這種鍵盤使用光信號傳輸數據，鍵盤與主機間用塑料光纜連接，鍵盤以電池供電，使其最大限度地減小電磁輻射。

所設計的低電壓電路，用2節5號電池供電。使用低電壓的8051單片機作主芯片，實現鍵選掃并發送數據。為了省電，設計中采用一種技術，即在沒有鍵按下時單片機處于休眠狀態。